園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與運行方法

智慧水務(wù)指運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，實時感知城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)分析對水務(wù)信息進行及時處理，提供輔助決策支持，形成融合智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預(yù)警、智能調(diào)度、智能處置、智能控制和智能服務(wù)的全方位水務(wù)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)全流程的科學(xué)化、精細化、智能化運行管理[1]。

近年來，隨著國家大力實施節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略、加強推動節(jié)水型（機關(guān)）單位創(chuàng)建，園區(qū)智慧水務(wù)建設(shè)的需求日益增長。然而，當前，我國智慧水務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用與服務(wù)領(lǐng)域主要為城鎮(zhèn)水務(wù)，涵蓋水源調(diào)度、智慧水廠、智慧管網(wǎng)、海綿城市建設(shè)與管理等，全國范圍面向封閉式、功能性園區(qū)的系統(tǒng)應(yīng)用案例并不多，如何實現(xiàn)以可持續(xù)應(yīng)用、兌現(xiàn)預(yù)期生態(tài)經(jīng)濟效益為目標，建設(shè)、運行智慧水務(wù)系統(tǒng)，尚未形成標準化方法和規(guī)模化推廣效應(yīng)。在此背景下，本文基于智慧水務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究成果及項目實踐經(jīng)驗，總結(jié)提出了園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與運行方法，為同類系統(tǒng)建設(shè)與運行提供借鑒，也為相關(guān)的標準編制做好準備。

1 系統(tǒng)建設(shè)

1.1 需求目標制定

按照向園區(qū)業(yè)主單位調(diào)研系統(tǒng)實施的目的和物理邊界，初步確立系統(tǒng)建設(shè)目標。

（1）了解實施目的。一般而言，可包括：提升園區(qū)水務(wù)健康安全水平、漏水嚴重亟待查漏修補、創(chuàng)建節(jié)水型機關(guān)（單位）、智慧園區(qū)平臺的子系統(tǒng)、水管網(wǎng)改造同步加裝計量系統(tǒng)等。

（2）了解實施范圍，是整個園區(qū)、園區(qū)內(nèi)部分區(qū)域，還是擁有多地址的園區(qū)，并進一步了解待實施區(qū)域的占地面積、建設(shè)年代、建筑概況、產(chǎn)權(quán)情況等。

1.2 現(xiàn)場踏勘與現(xiàn)狀分析

赴園區(qū)現(xiàn)場勘查，向園區(qū)運營單位、物業(yè)單位深入調(diào)研，了解園區(qū)運行現(xiàn)狀。

（1）日常運行規(guī)律，包括：日均、月均運行時間，白天、夜間在園人數(shù)等。

（2）園區(qū)子區(qū)域劃分、建筑布局及其功能。

（3）供水管網(wǎng)分布走向、總分關(guān)系、管道特性（年限、埋深、材質(zhì)、長度、管徑等）；現(xiàn)場施工條件（地面水表井分布、其他工程施工狀況等）。

（4）重點用水功能區(qū)或設(shè)施的分布位置，如：餐飲、浴室、景觀綠化、洗車等。

（5）園區(qū)用水狀況：逐月用水量及是否存在用水趨勢異常變化，初步掌握其水資源消費特征及管網(wǎng)漏損嚴重程度，以決定是否加裝電子監(jiān)聽設(shè)備以實現(xiàn)對漏損的快速診斷。

（6）智能化與信息化現(xiàn)狀：園區(qū)局域網(wǎng)建設(shè)狀況、是否具備數(shù)據(jù)中心機房、應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)庫部署設(shè)備、智慧化系統(tǒng)（如 BAS、EMS、物業(yè)管理）建設(shè)及歷史數(shù)據(jù)積累狀況。

1.3 計量方案設(shè)計

基于前期調(diào)研結(jié)果，規(guī)劃計量分區(qū)、選取計量目標對象、設(shè)定安裝點位（物理位置、管路標號）、計量分級。除水計量點位外，還需結(jié)合業(yè)主方針對提升園區(qū)用水安全、加強漏損感知的建設(shè)需求，布設(shè)相應(yīng)的水壓、液位、水質(zhì)監(jiān)測點位。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計者需編制系統(tǒng)建設(shè)的“一表兩圖”，即主材選型表、構(gòu)建園區(qū)水平衡關(guān)系結(jié)構(gòu)圖和計量分區(qū)結(jié)構(gòu)圖。

（1）主材選型表。搜集系統(tǒng)的末端感知設(shè)備，編制主材選型表，格式見表1。其中，設(shè)備類型包含：水表、壓力傳感器、液位傳感器、水質(zhì)傳感器、噪聲監(jiān)聽儀等；通信方式指設(shè)備與數(shù)據(jù)采集器或服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接方式、遵循的通信協(xié)議。

表1 主材選型表式

（2）園區(qū)水平衡關(guān)系結(jié)構(gòu)圖。水平衡指在一個確定的用水體系中，其輸入體系的水量始終等于輸出體系的水量。當園區(qū)內(nèi)所有管路均已納入計量的前提下，同一時間范圍內(nèi)，園區(qū)總進水管路儀表的計量值，應(yīng)等于各分支管路儀表的計量值之和，如前者大于后者，則懷疑存在管網(wǎng)漏失，如反之，則園區(qū)可能還存在其他進水管路，需要重復(fù)前序的管路排摸。據(jù)此，在方案設(shè)計階段，需構(gòu)建如圖1 樣式的水平衡關(guān)系結(jié)構(gòu)圖。

圖1 水平衡關(guān)系結(jié)構(gòu)圖樣式

圖1 體現(xiàn)了園區(qū)水流分級計量的層次結(jié)構(gòu)以及潛在水平衡差的存在位置。其中每一節(jié)點代表一個水計量表具，需對其標注水表編號（體現(xiàn)計量級別和序號）、安裝位置、計量目標對象和管道特性（材質(zhì)、管徑等）。通過該圖可總覽計量表安裝結(jié)果，為查找漏損提供依據(jù)。

（3）計量分區(qū)結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了園區(qū)水務(wù)系統(tǒng)計量目標對象及其從屬關(guān)系，為統(tǒng)計園區(qū)用水量構(gòu)成、分析細分功能區(qū)用水強度提供支撐。結(jié)構(gòu)圖樣式如圖2 所示。

圖2 計量分區(qū)結(jié)構(gòu)圖樣式

之所以需要繪制兩張結(jié)構(gòu)圖，是由于計量表具的安裝位置和其所計量的目標對象不嚴格一致，比如：表具安裝在鍋爐房，計量管道為食堂供水，或表具安裝在物業(yè)用房，但實際計量浴室供水。因此，需要通過兩張圖將計量對象和安裝位置區(qū)分開來，分別服務(wù)于不同的使用需求。 “一表兩圖”確立了園區(qū)水務(wù)系統(tǒng)的建構(gòu)思路與核心邏輯，其作用對系統(tǒng)預(yù)期目標的達成舉足輕重。

1.4 通信系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計

（1）通信系統(tǒng)設(shè)計。緊密結(jié)合園區(qū)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，設(shè)計設(shè)備計量數(shù)據(jù)自采集、處理、存儲的通信鏈路與網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)。一般而言，通信鏈路包含計量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集器、服務(wù)器 3 個主要節(jié)點，關(guān)鍵節(jié)點為數(shù)據(jù)采集器，為此，需確定設(shè)備規(guī)格選型，并需考慮與系統(tǒng)各計量設(shè)備通信方式的兼容。

（2）軟件系統(tǒng)設(shè)計。當前，智慧水務(wù)軟件大多采用產(chǎn)品化封裝模式加以推廣，即可實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)目標和用戶需求，提供可配置菜單。所以，軟件系統(tǒng)設(shè)計工作轉(zhuǎn)化為對軟件功能菜單的選擇，而后，由系統(tǒng)敏捷生成一套滿足用戶要求的可部署軟件。同時，如園區(qū)具備物業(yè)、樓控等信息系統(tǒng)，則可能存在建立接口、共享數(shù)據(jù)、協(xié)同應(yīng)用、定制開發(fā)的可能。

1.5 現(xiàn)場實施

該階段主要完成設(shè)備安裝、線纜敷設(shè)、數(shù)據(jù)采集調(diào)試、軟件部署、系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)等工作。實施前，需與園區(qū)物業(yè)、其他工程團隊充分溝通協(xié)同，對必要的進度交叉提前做好計劃、采取必要的防控措施，將系統(tǒng)實施可能出現(xiàn)的路面開挖、噪聲粉塵等對園區(qū)日常運營、室外環(huán)境的影響降到最低；實施過程中，需對工程質(zhì)量、安全、進度開展全面管控，確保建設(shè)過程有序推進；實施完成后，需核查設(shè)備運行、數(shù)據(jù)傳輸、軟件功能，對用戶開展必要的培訓(xùn)，以確認達到建設(shè)目標、滿足應(yīng)用需求。

通過以上智慧水務(wù)建設(shè)“五步法”，可實現(xiàn)確定需求導(dǎo)向下的精準設(shè)計、有序?qū)嵤⒛繕诉_成。

2 系統(tǒng)運行

系統(tǒng)上線后的科學(xué)合理運行決定了其可持續(xù)“服役生命力”。為此，一方面，需建立常態(tài)化運維機制，周期性對數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)運行的正常狀況予以監(jiān)視、及時處理系統(tǒng)告警；另一方面，需定期開展數(shù)據(jù)診斷與分析，編制分析報告，為運維和使用單位提供節(jié)約、安全運行的指導(dǎo)與策略。

2.1 運維保障

智慧水務(wù)系統(tǒng)提供了通信告警、超限告警功能，分別用于發(fā)現(xiàn)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)鏈路故障以及用水超標、管網(wǎng)漏損、水質(zhì)污染等運行問題。為此，必須建立完善的線下工作機制，對系統(tǒng)告警予以及時處理、閉環(huán)，方能確保系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行、功能有效發(fā)揮。本文以園區(qū)運營單位為執(zhí)行主體，針對兩類告警分別建立閉環(huán)處理流程，為系統(tǒng)運維保障提供可操作的方案，如圖3、圖4 所示。

圖3 通信故障告警處理流程

圖4 數(shù)值超限告警處理流程

在系統(tǒng)提出告警時，會同時推送告警發(fā)生的物理位置、相關(guān)儀表購置維保信息，以便于運營單位開展線下查驗維修。需說明的是，不排除因智慧水務(wù)系統(tǒng)軟件故障而出現(xiàn)假告警，如遇此情況，需提請軟件專業(yè)團隊予以排查修復(fù)，但不會影響園區(qū)水務(wù)正常運行。

2.2 分析報告

園區(qū)水務(wù)運行分析報告基于系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)運維或咨詢服務(wù)單位定期編制，報告期別可為周、月、季、年，短期報告?zhèn)戎赜趯?shù)據(jù)質(zhì)量、用水趨勢構(gòu)成的分析，長期報告則需要剖析用水特征、管水薄弱環(huán)節(jié)及對節(jié)約安全優(yōu)化運行的建議。分析報告可以認為是智慧水務(wù)系統(tǒng)的延伸服務(wù)。本文以月報為例，討論月度數(shù)據(jù)的分析主題與方法。

2.2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

數(shù)據(jù)質(zhì)量決定了數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準確性及應(yīng)用價值，為此，本文提出水務(wù)原始采集日數(shù)據(jù)質(zhì)量評估模型，用于從多維度考量數(shù)據(jù)滿足應(yīng)用的程度，如表2 所示（假設(shè)采集頻率為 15 min/次，則每儀表每日應(yīng)采集記錄數(shù)為 96）。

表2 水務(wù)原始采集日數(shù)據(jù)質(zhì)量評估模型

而后，按 0.4、0.4、0.2 為 3 個維度的評估得分賦權(quán)重，加權(quán)平均計算得到日數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果（以百分數(shù)表示）。重復(fù)以上步驟，最終分別求得當月各日的數(shù)據(jù)評估結(jié)果以及月平均值。表征方法見表3。

表3 水務(wù)原始采集數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果匯總表 單位： %

2.2.2 園區(qū)用水分析

該主題主要反映園區(qū)當月用水總量、變化趨勢及用水強度特征，幫助管理者精細掌握當月用水規(guī)律，支持節(jié)水潛力發(fā)現(xiàn)、節(jié)水措施驗證，為下月水務(wù)運行管理策略提供參考。

（1）日/夜用水分析.考察當月園區(qū)各計量點位（6:00-22:00）、（22:00-6:00）的用水構(gòu)成關(guān)系。一般而言，在不涉及季節(jié)特征顯著變化的單個月內(nèi)，日夜用水將恒定在一個區(qū)間，隨工作日、非工作日顯現(xiàn)穩(wěn)定波動范圍，如某日的日夜比出現(xiàn)突變，則需要結(jié)合園區(qū)運行記錄、物業(yè)工作日志，對當日用水狀況異常原因予以溯源，查看是否由于園區(qū)開展重要活動、物業(yè)檢修等行為所致，并在分析報告中予以闡述。

（2）用水功能區(qū)對標分析。考察細分用水功能區(qū)與《上海市用水定額（試行）》（滬水務(wù)〔2019〕1408號）的對標情況，指標包含：辦公用水[m3/(人·a)]、職工生活用水[L/(人·d)]、食堂用水[L/(人·餐次)]、浴室用水[L/(人·d)]，分為通用值和先進值兩檔。通過分析了解本單位節(jié)水管理工作水平、量化存在差距。由于各指標的單位不統(tǒng)一，所以報告需根據(jù)月度用水量及各功能區(qū)的規(guī)模進行相應(yīng)的折算。圖5 為園區(qū)職工生活用水對標圖例。

圖5 園區(qū)職工生活用水對標圖例

由圖5 可知，該園區(qū)當月職工生活用水強度波動較大，全月中，3 d 用水量大于通用值，12 d 用水量低于先進值，均值為 26.4 L/(人·d)，位于通用值范圍，大于先進值 5.6%，節(jié)水工作尚有一定的提升空間。

2.2.3 管網(wǎng)漏損診斷

該主題以漏損診斷為目標，采用分級平衡差、夜間最小流量分析法，盡早識別園區(qū)管網(wǎng)漏損，防控可能由此導(dǎo)致的浪費及安全問題。

（1）分級水平衡分析。綜合考察分級水平衡差及管網(wǎng)噪聲監(jiān)聽結(jié)果，為園區(qū)管理者研判園區(qū)漏損狀況的存在、嚴重程度及大致方位提供支撐。管理者據(jù)此決策是否應(yīng)采取進一步的現(xiàn)場增強檢漏措施，如相關(guān)儀診斷、管道開挖查找等。圖6 為園區(qū)分級水平衡分析圖例。

圖6 園區(qū)分級水平衡分析圖例

圖6 體現(xiàn)了園區(qū)逐日水平衡差以及噪聲監(jiān)聽設(shè)備泄漏報警的變化關(guān)系。若前者出現(xiàn)突增、而后者亦提示泄漏，則管網(wǎng)漏損的可能性非常大，需盡快采取查漏補漏措施。

（2）夜間最小流量（Minimum Night Flow）分析。分析獨立計量區(qū)域夜間水量數(shù)據(jù)，對于探知真實漏損具有重要意義[2]。由于夜間最小流量大部分時段出現(xiàn)在凌晨1：00-5：00，此時，除園區(qū)值守者可能的少量用水外無其他用水，如果園區(qū)管網(wǎng)存在漏水，則此時間段內(nèi)的最小用量最接近真實漏損量。采用比值法可實現(xiàn)基于 MNF 的漏損分析，即將夜間測得的最小流量與當日平均時流量比較，如果比值（近似為漏損率）超過某一上限，即可認為該區(qū)域管網(wǎng)可能出現(xiàn)異常。

3 結(jié) 語

在當前園區(qū)智慧水務(wù)應(yīng)用需求持續(xù)顯現(xiàn)，而相關(guān)行業(yè)標準尚未形成、工程實施與運維管理缺乏指導(dǎo)的背景下，本文對智慧園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)與運行方法進行了探討，提出“需求目標制定→現(xiàn)場踏勘與現(xiàn)狀分析→計量方案設(shè)計→通信與軟件系統(tǒng)設(shè)計→現(xiàn)場實施”的五步建設(shè)法以及對系統(tǒng)運行效益至關(guān)重要的計量方案設(shè)計“一表兩圖”；在系統(tǒng)運行階段，圍繞運維保障和數(shù)據(jù)分析兩大任務(wù)，設(shè)計了對接智慧水務(wù)系統(tǒng)異常告警的線下閉環(huán)處理流程，以月度運行分析報告為載體，建立了數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、園區(qū)用水分析、管網(wǎng)漏損診斷的模型與方法；同時對噪聲在線檢漏設(shè)備在園區(qū)智慧水務(wù)中的作用與應(yīng)用模式進行了討論。

隨著園區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)的規(guī)模化推廣和不斷深化應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)規(guī)范的編制實施勢在必行。本文成果為標準制定提供了必要的基礎(chǔ)支撐與技術(shù)準備。